2.2. Класифікація технологічних процесів та апаратів технології

Технологічна лінія виробництва будь-яких виробів скла­дається із окремих послідовно виконуємих технологічних опе­рацій, які виконуються машинами, апаратами та агрегатами. Технологічну операцію, яка здійснюється в машині (апараті, аг­регаті) та забезпечує певний технологічний режим будемо визна­чати як одиничний процес або як апаратно-процесну одиницю. Синтез технологічної схеми полягає в тому, щоб скласти із існу­ючих одиничних процесів таке співвідношення, яке забезпечить одержання продукту або напівфабрикату визначеного складу та властивостей із існуючих видів сировини.

В зв'язку з цим коротко розглянемо класифікацію одиничних технологічних процесів, які використовуються в технології при проектуванні, фізико-хімічні закономірності кожного одинично­го процесу, а також загальні принципи вибору схеми техно­логічного процесу.

Сукупність явищ, які перебігають в кожній технологічній опе­рації, може бути розподілена на класи, підкласи, групи, підгрупи, види або одиничні явища. Під одиничними явищами даної фізич­ної природи розуміють явище, яке здійснюється в конкретних умовах або режимах, розвиток та кінцевий результат якого одно­значно визначається цими умовами.

41

Ознакою класу явищ є спільність їх природи, тобто явища гідромеханічні, теплові, масообміні, механічні, хімічні, біологічні та ін. Ознакою підкласу явищ служить спільність механізму їх здійснення. Наприклад, дифузія здійснюється молекулярним, конвективним та інш. переносом. Ознакою групи явищ може бу­ти спільність умов однозначності, які дозволяють відокремити з даного класу групу подібних явних. Числові характеристики умов однозначності визначають одиничне явище.

Всі одиничні явища, їх класи, групи мають також різні ознаки спільності. Наприклад, для їх опису можна використати рівняння балансу, або кінетичні рівняння, а також деякі типові процедури або типові плани одержання експериментальних даних.

Класифікаційна система основних процесів та апаратів будь-якої технології включає шість класів: 1) гідромеханічні процеси; 2) теплові; 3) масообміні; 4) механічні; 5) хімічні та 6) біологічні (біохімічні) процеси.

Наведені шість класів основних процесів можна розподілити на п'ять ступенів /клас — підклас — група — підгрупа — вид/.

Для хімічних та біологічних процесів сувора класифікація не розроблена, але їх можна класифікувати стосовно технології за такими ознаками. Наприклад, хімічні процеси можна розподіли­ти на каталітичні, некаталітичні, які здійснюються в гомогенних і гетерогенних системах. Можливий розподіл також за складністю та механізмом здійснення реакції (послідовна, пара­лельна, тощо), швидкості реакції, типам реакторів (ідеального перемішування, ідеального витиснення та ін.).

Виробництво багатьох виробів засноване на мікробіологічних процесах (вилучення металів із руд, вино, спирт, молочні та інші продукти), але їх сувора класифікація також не запропонована.

При виконанні окремих технологічних операцій відбуваються різноманітні фізичні, хімічні, біологічні явища, тобто кожна техно­логічна операція базується на певних фундаментальних законах, які визначають закономірності окремих технологічних операцій.

Поряд з добре відомими вивченими раніше процесами по­дрібнення, формоутворення (гранулювання), сепарування, осад­ження, фільтрування, перемішування, нагрівання (охолодження), випарювання (конденсація), перегонка, екстрагування, сорбція, кристалізація і т.ін. при виробництві багатьох продуктів викону­ються технологічні операції іншої природи: хімічні та біологічні процеси. Перелічені процеси при виробництві різних виробів мають свої особливості.

42

Наприклад, такий класичний процес як пе­ремішування при замісі тіста супроводжується значними змінами властивостей та складу перемішуємого продукту. Нагрівання та охолодження теж приводить до значних змін властивостей об-роблюємих продуктів, знешкодження шкідливих речовин та дії мікроорганізмів.

Крім класичного фільтрування при розмірах шпар фільтрую­чої перегородки 6 м та тиску Р 0,06 Мпа використову­ють мембрані засоби розподілу речовин з шпарами фільтруючих перегородок мембран

6 = (0,1...1,0) м та тиску Р = (0,1...25) Мпа. До цих засобів відносять мікро фільтрування (6 = м, Р = 0,1 Мпа), ультрафільтрування

(6 = 3...100) нм, (Р = 0,1...20) Мпа та зворотний осмос 6 <,

Р = (1 ...25) Мпа. Особливістю зворотно осмотичного процесу є те, що градієнт осмотичного ти­ску розчину протилежний напрямку гідростатичного тиску.

Використовують і електроплазмоліз — контактну обробку плодів електроним струмом низької частоти з напругою 220 В, що приводить до пошкодження цитоплазмових оболонок рослинних клітин та збільшенню соковіддачі при наступному пресуванні.

Електродіаліз — перенос іонів розчинених речовин через се­лективні іонітні мембрани під дією постійного електричного стру­му. Іонообміні мембрани бувають гетерогенного, інтерполімер-ного та біполярного типів. Використання процесів електродіалізу при підготовці води дозволяє вивести небажані домішки, знизити лужність води в (2...3) рази, жорсткість — в (2,5...3) рази.

Зворотний осмос передбачає фільтрування неочищеної ріди­ни під тиском, який значно перевищує осмотичне. Основним ро­бочим органом процесу зворотного осмосу використовують напівпроникні мембрани, які молекули розчинника пропуска­ють, але затримують молекули або іони розчинених речовин. Ефективність зворотно осмотичних процесів визначається якістю селективних мембран, які характеризуються робочим тис­ком, солезатримуючими властивостями, водопроникністю та пи­томою потужністю. Так для мембран МГА робочий тиск складає 10 Мпа, солезатримуючі здатності — (70...97,5)%, водопро­никність — (100...1000) м/добу.

Основними показниками зворотно осмотичних апаратів прийняті: щільність пакування мембран, металоємність та ек­сплуатаційні характеристики. Електродіаліз та зворотний oсмос більш економічні у порівнянні з дистиляцією на (10...40)%.

43

Використовують також і іонізуючі випромінювання, які при­водять до виникнення нових речовин або зміни властивостей. Наприклад, інтенсивність вилуження опромінених плодів холод­ною водою збільшується в (1,5...2) рази.

Важливими та дуже складними за природою процесами в тех­нології є процеси ферментації та бродіння, завдяки яким стало можливо споживати цілий ряд важливих та корисних продуктів, вітамінів, лікувальних препаратів.

Деякі технологічні операції властиві тільки при виробленні окремих продуктів (гідроліз, піроліз, полімеризація, гідро­генізація), коптіння, сульфітація, але з дуже складним механізмом перетвореннь в оброблюваному продукті.

Технологія харчових виробництв відрізняється від інших хіміко-технологічних процесів тим, що через нестійкість (лабільність) якісних показників харчової сировини використан­ня високих температур, тиску, швидкості значно обмежується, що в свою чергу вимушує знизити продуктивність або по­тужність технологічних процесів. Продукти, які швидко псують­ся, потребують особливих умов зберігання, що в свою чергу по­требує значних витрат на спорудження сховищ.

В загально прийнятому визначенні під біотехнологією на су­часному етапі розвитку треба розуміти як інтегроване викорис­тання біохімії, мікробіології, молекулярної біології та приклад­них наук в технологічних процесах з використанням мікроор­ганізмів, культур клітин та тканин. Але найважливіше місце має зайняти мікробіологічна технологія або біотехнологія мікробно­го синтезу, яка досліджує закономірності популяцій мікроор­ганізмів в штучно складених умовах.

Процеси мікробіологічного синтезу використовують для одержання: мікробної біомаси (дріжджі, білково-вітамінні кон­центрати т.і.); біохімічних продуктів складної будови, які виділя­ються мікроорганізмами при їх культивуванні (спирти, антибі­отики, вітаміни, органічні кислоти); хімічних продуктів (6-аміно-пеніцилинова кислота т.і.), очищених від небажаних компонентів середовищ (прояснення стічної води); цінних металів, виділених за допомогою мікробіологічного синтезу.

Різноманітні виробництва, що побудовані на основі мікро­біологічних процесів, мають багатостадійний характер та вклю­чають поряд з мікробіологічними стадіями або дільницями деяку кількість інших процесів (нагрівання, дозування, фільтрування

44

тощо), які забезпечують виконання саме основних мікробіоло­гічних процесів та від якості функціонування яких залежить до­сягнення основної мети виробництва.

Звернемо увагу на ще одну важливу особливість біотехнології, на яку до цього часу не дуже зважають. Деякі біологічні речовини або комплекси цих речовин здатні перетворювати енергію різних видів — хімічну, механічну, світлову, електричну в прямому та зворотному напрямках, що дозволяє одні і ті самі перетворювачі використовувати для вимірювання різних фізичних параметрів. Тобто дозволяє конструювати точні, зручні та надійні пристрої для вимірювання параметрів у будь-якій технології.

Коефіцієнт корисної дії таких перетворювачів дуже високий. Такі біодатчики реагують на різні речовини, вихоплюючи окремі молекули в повітрі (газах) та в розчинах рідин, мають підвищену стійкість до фізико-хімічних дій. Такі чутливі елементи біопере-творювачів одержують шляхом іммобілізації білків, ферментів або колоній мікроорганізмів на підкладку (подложка).

На основі глобулярного білка, пружність якого різна в різних напрямках, конструюють хемомеханічні датчики. Молекули білка, захоплюючі атоми та молекули інших речовин, змінюють свої розміри, що легко можна зафіксувати. Біоперетворювач та­ким чином реєструє наявність певної речовини у розчині, її кон­центрацію та видає певний сигнал через зміну розміру молекули. При деяких окислювальних ферментативних реакціях фер­менти починають світитися — тобто має місце біолюмінесценція. Якщо використати датчик з іммобілізованим (нерухомим) фер­ментом люциферазою, яка реагує з різними білковими сполучен­нями, то в залежності від їх концентрації інтенсивність світіння змінюється і її можна реєструвати.

Якщо нанести на підложку (підкладку) не тільки люциферазу, а і інші сполучені з нею ферменти, то можна одержати універ­сальний шаровий датчик, за допомогою якого реєструється пев­ний набір показників (параметрів) процесу.

Успіхи молекулярної мікроелектроніки застосовують в робо­тотехніці. Система "око-рука" заснована на розпізнаванні об­разів та прийнятті рішень з елементами штучного інтелекту схе­му якої наведено на рис. 2.1.

Треба сподіватися, що цілий ряд бімолекулярних систем мо­жуть бути використані в пристроях запам'ятування та зберігання інформації ЕОМ з дуже високою щільністю запису. Однією з та-

45

ких речовин використовується бактеріородопсии, який може обернено діяти в розчині та в тонкій плівці — вологої та повністю зневодженної, яка не втрачає своїх необхідних власти­востей при нагріванні до 100 °С, стійка до дії багатьох хімічних речовин, електричного струму та електромагнітного поля. За світлочутливістю та за розв'язувальною здатністю молекули цьо­го білку задовольняють вимоги для побудови елементів оптичної пам'яті ЕОМ великої ємності — до біт/смі. Ці досягнення складають умови для переведення всіх основних агрегатів ЕОМ на біоорганічну основу.

На цій основі можуть бути побудовані біообчислювальні при­строї ЕОМ, фізичною реалізацією яких є квазідвомірні кристалізо­вані плівки білків та ферментів, які при певних умовах ведуть себе як активні середовища з відновленням. Елементом активного сере­довища є молекула білка з лінійними розмірами (3...5) нм, яка мо­же бути переведена в одне із декількох сталих положень. Плівка площею 1 утримує біля таких елементів та дозволяє здійснити переключень в одну секунду, тобто може бути вико­ристана як елемент процесору в обчислювальних системах.

Основою для конструювання аналогових обчислювальних машин для досліджень процесів, які описуються диференційними рівняннями параболічного типу (нагрівання, горіння, розповсю­дження епідемій, тощо), може бути середовище, в якому можуть проходити авто хвильові реакції типу Білоусова-Жаботинського. Зараз відкрито декілька десятків автохвильових хімічних та біохімічних реакцій (деякі з них флуоресцентні) типу Білоусова-Жаботинського, які можна безпосередньо спостерігати та реєструвати.

Отже поряд з іншими одним із завдань в біотехнології є кон­струювання та розробка технології одержання молекул та моле­кулярних ансамблів, здатних зберігати, передавати та перетво­рювати інформацію про перебіг технологічних процесів.

46

Рис. 2.1. Схема біопристрою для управління роботою маніпулятора в системі "око-рука "

47